确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置及方法

摘要

本发明提供一种确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置及方法，所述装置包括绝缘支架、石英烧杯、调压器、金属电极、模拟导电体的导电金属片和模拟底部铜板的导电金属片。方法的工艺步骤为：（1）按照1600~1800℃含氟渣系的电导率参数范围配置导电溶液，装入石英烧杯中，调整导电溶液的液面高度；（2）调整模拟导电体的导电金属片和金属电极在导电溶液中的插入深度；（3）接通电源，调节调压器的电压值10~36V，产生两条通电回路；（4）待数显电压表读数稳定后，记录溶液50~80°C下两个数显电流表的多组电流读数，求取电流分配比的总平均值。

权利要求

1.确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，采用的装置包括绝缘支架、石英烧杯、调压器、金属电极、模拟导电体的导电金属片和模拟底部铜板的导电金属片；绝缘支架上设有支撑平台，石英烧杯和用于测量导电溶液高度及金属电极插入导电溶液深度的刻度尺位于支撑平台上；金属电极上部通过导线与调压器的一极相连，下部浸入至石英烧杯内部的导电溶液中；模拟导电体的导电金属片形状为环形，固定于石英烧杯内壁上，并部分浸入导电溶液中，模拟导电体的导电金属片暴漏在导电溶液外的部分通过导线与调压器的一极相连；模拟底部铜板的导电金属片设置在石英烧杯底部，通过导线与调压器的另一极相连；所述金属电极以及模拟导电体的导电金属片与调压器的同一极连接；所述装置还设有温度计、数显电压表和2个数显电流表，所述温度计插入石英烧杯内部的导电溶液中；

所述数显电压表与调压器并联；所述2个数显电流表分别位于模拟导电体的导电金属片与调压器连接的导线上以及金属电极与调压器连接的导线上；其特征在于所述方法按照以下工艺步骤进行：(1)按照1600～1800℃含氟渣系的电导率参数范围配置导电溶液，并将导电溶液装入石英烧杯中，调整导电溶液的液面高度在30～60mm；

(2)调整模拟导电体的导电金属片在导电溶液中的插入深度在5～20mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度在5～10mm；

(3)接通电源，调节调压器的电压值在10～36V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的导电金属片和调压器以及模拟导电体的导电金属片、导电溶液、模拟底部铜板的导电金属片和调压器构成两条通电回路；

(4)待数显电压表读数稳定后，记录在50～80℃下两个数显电流表的多组电流示数，并分别得到相应温度下双回路的电流分配比，求取电流分配比的总平均值。

2.根据权利要求1所述的确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，其特征在于所述导电溶液为氯化钠溶液或氯化钾溶液，浓度为0.1221～0.4884mol/L。

说明书

确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置及方法。

背景技术

[0002] 电渣重熔因其生产的铸锭缩孔、疏松、宏观偏析等缺陷较少，并且具有成分均匀、组织致密以及夹杂物细小弥散分布等特点，因此被广泛的应用于多种材料的终端冶炼工艺。电渣重熔的金属熔池形状和深度直接决定材料的凝固质量，一般“V”字形的金属熔池往往会导致铸锭表面质量不好，并且材料的结晶方向往往为径向结晶，这对凝固质量不利。众多研究者普遍认为，“U”字形的金属熔池对铸锭表面质量和内部质量的控制更为有利。然而，电渣重熔过程金属熔池的控制往往受到电流、电极插入深度、渣池高度等工艺参数的影响。

[0003] 电流电压过高，渣温升高，元素的氧化加重；电压过高，电极埋入渣池的深度减小，增加电极的氧化，使钢中的夹杂物数量增加；合适的电流有利于形成良好表面质量的铸锭，但电流过大会使电压过低，电极插入渣池太深，造成渣池表面的温度太低，反而不利于表面质量的控制。

[0004] Holly学者曾经指出，为了获得良好的电渣钢锭表面质量，需要金属熔池具有圆柱段高度10mm以上。由于电渣重熔过程中大部分电流在渣池中都是在渣金界面的中心区域通过的，而渣金界面靠近结晶器内壁的位置电流很小，这就会导致这个区域焦耳生热率很低，金属熔池成“V”形，使渣金界面靠近结晶器内壁位置基本不能获得圆柱段。综上，传统的电渣重熔过程工艺参数设置不合理，就无法获得金属熔池的圆柱段高度。究其原因是传统的电渣重熔过程，电流主要集中于自耗电极下方，导致渣金界面结晶器内壁位置渣池发热量不足。因此，良好的铸锭表面质量和浅平状的金属熔池很难同时实现。

[0005] 采用导电结晶器的电渣重熔过程，不仅具有传统电渣重熔系统的电流回路：变压器→自耗电极→渣池→金属熔池→底水箱→变压器，而且还具有靠近结晶器侧的电流回路：变压器→导电结晶器→渣池→金属熔池→底水箱→变压器。导电结晶器侧的电路供电为渣金界面圆周位置提供了更大的电流密度，有利于结晶器内壁周围渣池的生成热传递给金属熔池，从而有利于获得比较理想的“U”字形的金属熔池，进而有利于得到结晶质量良好的电渣铸锭。

[0006] 文献（Investigation of the implications of the current conductive mold technology with respect to the internal and surface quality of ESR ingots, Liquid Metal Processing and Casting 2011, 57-64.）提出了一种采用双电源双回路导电结晶器冶炼X12CrNiMoV钢的方法，并指出采用导电结晶器双电源双回路进行冶炼后，金属熔池成“U”形；元素的偏析程度降低，且当电流的分配比为1:1，且熔速较快的情况下，铸锭的表面质量最好。但双电源双回路的两个电源在处理过程很容易发生相互干扰而影响最终的实施效果。而单电源双回路不仅能够达到双电源双回路的冶炼效果，而且只是用一个变压器供电，因此有利于国内现有电渣炉技术的改造。但采用单电源双回路供电后，两条回路的电流分配情况以及总回路工艺参数将存在一定的依赖关系，如果电流分配比不合理，所冶炼铸锭的表面质量和凝固质量均较差。对于合适的电流分配，铸锭的表面质量和内部凝固质量均能够得到较大的提高。如果采用真正的电渣炉摸索这种依赖关系，则需要浪费大量的人力物力。

[0007] CN104330411公开了一种动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置，该装置可模拟传统单电源单回路电渣重熔过程中熔滴滴落过程，并未考虑导电结晶器对电渣重熔过程的作用，且未考虑导电溶液液面高度的影响。

发明内容

[0008] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置及方法，所述装置及方法采用物理模拟实际单电源双回路电渣重熔生产过程的熔炼体系，确定其中的渣池高度、电极插入深度、电流分配比等主要工艺参数，为实际生产过程提供有利参考。本发明的技术方案如下：

[0009] 一种确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置，包括绝缘支架、石英烧杯、调压器、金属电极、模拟导电体的导电金属片和模拟底部铜板的导电金属片；绝缘支架上设有支撑平台，石英烧杯和用于测量导电溶液高度及金属电极插入导电溶液深度的刻度尺位于支撑平台上；金属电极上部通过导线与调压器的一极相连，下部浸入至石英烧杯内部的导电溶液中；模拟导电体的导电金属片形状为环形，固定于石英烧杯内壁上，并部分浸入导电溶液中，模拟导电体的导电金属片暴漏在导电溶液外的部分通过导线与调压器的一极相连；模拟底部铜板的导电金属片设置在石英烧杯底部，通过导线与调压器的另一极相连。

[0010] 所述装置中，还设有温度计，插入石英烧杯内部的导电溶液中。

[0011] 所述装置中，还设有数显电压表，且数显电压表与调压器并联。

[0012] 所述装置中，还设有数显电流表，数量为2，分别位于模拟导电体的导电金属片与调压器连接的导线上以及金属电极与调压器连接的导线上。

[0013] 所述装置中，金属电极以及模拟导电体的导电金属片与调压器的同一极连接。

[0014] 所述装置中，金属电极的尺寸与石英烧杯的尺寸关系按照电渣重熔过程中直径充填比的要求设置。

[0015] 所述装置中，金属电极的材质为伍德合金、不锈钢，用于模拟电极。

[0016] 所述装置中，导电金属片的材质选用不和导电溶液起反应的金属材料，包括钼片、铜片、镍片、锡片和铂片，用于模拟导电体。

[0017] 所述的调压器为接触式自耦调压器。

[0018] 采用所述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0019] （1）按照1600 1800℃含氟渣系的电导率参数范围配置导电溶液，并将导电溶液装~入石英烧杯中，调整导电溶液的液面高度在30 60mm；
~

[0020] （2）调整模拟导电体的导电金属片在导电溶液中的插入深度在5 20mm，以及金属~电极在导电溶液中的插入深度在5 10mm；
~

[0021] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10 36V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板~的导电金属片和调压器以及模拟导电体的导电金属片、导电溶液、模拟底部铜板的导电金属片和调压器构成两条通电回路；

[0022] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50 80℃下两个数显电流表的多组电流示~数，并分别得到相应温度下双回路的电流分配比，求取电流分配比的总平均值。

[0023] 所述方法中，导电溶液为氯化钠溶液或氯化钾溶液，浓度为0.1221 0.4884mol/L。~

[0024] 所述方法中，通过调节导电溶液在石英烧杯中的液面高度来模拟电渣重熔的渣池高度。

[0025] 所述方法中，通过导电溶液自身的电阻加热导电溶液至不同的温度，使导电溶液的电导率同电渣重熔高温熔渣电导率相匹配的情况下，得到双回路的功率分配情况。

[0026] 所述方法中，根据步骤（4）获得的电流分配比例、导电溶液的高度、电极充填比以及模拟导电体的导电金属片插入导电溶液的深度，进而推导出工业上电渣重熔过程中在一定充填比的前提下，适合此结晶器进行冶炼的其他工艺参数。

[0027] 本发明的有益效果：本发明利用可视化的微型单电源双回路电渣重熔模拟系统对工业生产上电渣重熔过程中的电流分配比、电极插入深度、导电溶液高度、导电体插入深度进行探索，并且本发明系统所采用的氯化钠或氯化钾导电溶液，与1600 1800℃含氟渣系的~电导率参数范围相近，实现了实验室范围的电渣重熔冶炼过程模拟，可以有效获得适合大型单电源双回路电渣重熔的冶炼工艺参数。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例1的确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置的结构示意图；其中1、绝缘支架，2、横梁、3温度计，4、模拟导电体的钼片，5、石英烧杯，6、模拟底部铜板的钼片，7、支撑平台，8、刻度尺，9、模拟熔渣的导电溶液，10和11、数显电流表，12、接触式自耦调压器，13、数显电压表，14、伍德合金电极；

[0029] 图2为本发明装置的电路原理图，其中A1和A2表示电流表，V表示电压表，R表示电阻。

具体实施方式

[0030] 本发明实施例中采用的接触式自耦调压器型号为德力西TDGC2-3KVA系列调压器。

[0031] 实施例1

[0032] 一种确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的装置，包括绝缘支架1、温度计3、石模拟导电体的钼片4、石英烧杯5、模拟底部铜板的钼片6、数显电流表10和11、接触式自耦调压器12、数显电压表13、以及伍德合金电极14；绝缘支架2上设有悬挂金属电极的横梁2和支撑平台7；石英烧杯5的直径为80mm，其和用于测量导电溶液高度及金属电极插入导电溶液深度的刻度尺8位于支撑平台7上；温度计3插入石英烧杯5内部的导电溶液中；模拟导电体的钼片4形状为环形，固定于石英烧杯内壁上，并部分浸入导电溶液中，模拟导电体的钼片4暴漏在导电溶液外的部分通过导线与接触式自耦调压器12的一极相连；模拟底部铜板的钼片6设置在石英烧杯5底部，通过导线与接触式自耦调压器12的另一极相连；数显电流表10和11分别位于模拟导电体的钼片4与接触式自耦调压器13连接的导线上以及伍德合金电极14与接触式自耦调压器12连接的导线上；数显电压表13与接触式自耦调压器12并联；伍德合金电极14上部通过导线与接触式自耦调压器12的一极相连，下部浸入至石英烧杯5内部的导电溶液中，且伍德合金电极14以及模拟导电体的钼片4与接触式自耦调压器12的同一极连接。

[0033] 上述装置中，充填比设置为0.5。

[0034] 采用上述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0035] （1）按照1700℃含氟渣系的电导率参数范围配置浓度为0.1221mol/L的氯化钠溶液，并将氯化钠溶液装入石英烧杯中，调整氯化钠溶液的液面高度在40mm；

[0036] （2）调整模拟导电体的钼片在导电溶液中的插入深度在20mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm；

[0037] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的钼片和调压器以及模拟导电体的钼片、导电溶液、模拟底部铜板的钼片和调压器构成两条通电回路；

[0038] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃下，两个数显电流表在相同温度下的多组电流示数。

[0039] 根据步骤（4）的电流读数获得两条回路在金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm时的电流分配比总平均值分别为1.205、1.276和1.884，根据电流分配比例，电极充填比0.5，导电溶液的高度40mm，模拟导电体的钼片插入导电溶液的深度20mm，进而可以推导出工业上电渣重熔过程中适合在结晶器的直径充填比为0.5的前提下的其他工艺参数。

[0040] 实施例2

[0041] 本实施例的装置同实施例1，区别点在于：导电金属片为镍片，充填比为0.6；

[0042] 采用上述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0043] （1）按照1700℃含氟渣系的电导率参数范围配置浓度为0.1221mol/L的氯化钠溶液，并将氯化钠溶液装入石英烧杯中，调整氯化钠溶液的液面高度在40mm；

[0044] （2）调整模拟导电体的镍片在导电溶液中的插入深度在20mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm；

[0045] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的镍片和调压器以及模拟导电体的镍片、导电溶液、模拟底部铜板的镍片和调压器构成两条通电回路；

[0046] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃下，两个数显电流表在相同温度下的多组电流示数。

[0047] 根据步骤（4）的电流读数获得两条回路在金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm时的电流分配比总平均值分别为1.414、1.584和1.741，根据电流分配比例，电极充填比0.6，导电溶液的高度40mm，模拟导电体的镍片插入导电溶液的深度20mm，进而可以推导出工业上电渣重熔过程中适合在结晶器的直径充填比为0.6的前提下的其他工艺参数。

[0048] 实施例3

[0049] 本实施例的装置同实施例1，区别点在于：电极为不锈钢电极，导电金属片为铂片，充填比为0.7；

[0050] 采用上述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0051] （1）按照1700℃含氟渣系的电导率参数范围配置浓度为0.1221mol/L的氯化钠溶液，并将氯化钠溶液装入石英烧杯中，调整氯化钠溶液的液面高度在40mm；

[0052] （2）调整模拟导电体的铂片在导电溶液中的插入深度在20mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm；

[0053] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的铂片和调压器以及模拟导电体的铂片、导电溶液、模拟底部铜板的铂片和调压器构成两条通电回路；

[0054] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃下，两个数显电流表在相同温度下的多组电流示数。

[0055] 根据步骤（4）的电流读数获得两条回路在金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm时的电流分配比总平均值分别为1.884、2.065和2.227，根据电流分配比例，电极充填比0.7，导电溶液的高度40mm，模拟导电体的铂片插入导电溶液的深度20mm，进而可以推导出工业上电渣重熔过程中适合在结晶器的直径充填比为0.7的前提下的其他工艺参数。

[0056] 实施例4

[0057] 本实施例的装置同实施例2；

[0058] 采用上述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0059] （1）按照1700℃含氟渣系的电导率参数范围配置浓度为0.1221mol/L的氯化钠溶液，并将氯化钠溶液装入石英烧杯中，调整氯化钠溶液的液面高度在40mm；

[0060] （2）调整模拟导电体的镍片在导电溶液中的插入深度在10mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度为5mm、7mm和8,5mm；

[0061] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的镍片和调压器以及模拟导电体的镍片、导电溶液、模拟底部铜板的镍片和调压器构成两条通电回路；

[0062] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃下，两个数显电流表在相同温度下的多组电流示数。

[0063] 根据步骤（4）的电流读数获得两条回路在金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm时的电流分配比总平均值分别为1.527、1.736和1.941，根据电流分配比例，电极充填比0.6，导电溶液的高度40mm，模拟导电体的镍片插入导电溶液的深度10mm，进而可以推导出工业上电渣重熔过程中适合在结晶器的直径充填比为0.6的前提下的其他工艺参数。

[0064] 实施例5

[0065] 本实施例的装置同实施例2，区别点在于：导电金属片为锡片；

[0066] 采用上述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0067] （1）按照1700℃含氟渣系的电导率参数范围配置浓度为0.1221mol/L的氯化钠溶液，并将氯化钠溶液装入石英烧杯中，调整氯化钠溶液的液面高度在30mm；

[0068] （2）调整模拟导电体的锡片在导电溶液中的插入深度在20mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm；

[0069] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的锡片和调压器以及模拟导电体的锡片、导电溶液、模拟底部铜板的锡片和调压器构成两条通电回路；

[0070] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃下，两个数显电流表在相同温度下的多组电流示数。

[0071] 根据步骤（4）的电流读数获得两条回路在金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm时的电流分配比总平均值分别为1.613、1.766和1.935，根据电流分配比例，电极充填比0.6，导电溶液的高度30mm，模拟导电体的锡片插入导电溶液的深度20mm，进而可以推导出工业上电渣重熔过程中适合在结晶器的直径充填比为0.6的前提下的其他工艺参数。

[0072] 实施例6

[0073] 本实施例的装置同实施例2，区别点在于：导电金属片为铜片；

[0074] 采用上述装置确定单电源双回路电渣重熔过程中工艺参数的方法，按照以下工艺步骤进行：

[0075] （1）按照1800℃含氟渣系的电导率参数范围配置浓度为0.4884mol/L的氯化钾溶液，并将氯化钾溶液装入石英烧杯中，调整氯化钾溶液的液面高度在40mm；

[0076] （2）调整模拟导电体的铜片在导电溶液中的插入深度在20mm，以及金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm；

[0077] （3）接通电源，调节调压器的电压值在10V，金属电极、导电溶液、模拟底部铜板的铜片和调压器以及模拟导电体的铜片、导电溶液、模拟底部铜板的铜片和调压器构成两条通电回路；

[0078] （4）待数显电压表读数稳定后，记录在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃下，两个数显电流表在相同温度下的多组电流示数。

[0079] 根据步骤（4）的电流读数获得两条回路在金属电极在导电溶液中的插入深度分别为5mm、7mm和8.5mm时的电流分配比总平均值分别为1.472、1.639和1.857，根据电流分配比例，电极充填比0.6，导电溶液的高度40mm，模拟导电体的铜片插入导电溶液的深度20mm，进而可以推导出工业上电渣重熔过程中适合在结晶器的直径充填比为0.6的前提下的其他工艺参数。